高中化学新人教版选择性必修3第一章第2节研究有机化合物的一般方法学案

第二节研究有机化合物的一般方法课程目标1．了解研究有机物应采取的步骤和方法。2．初步学会分离、提纯有机物的常用方法。3．掌握蒸馏、重结晶和萃取实验的基本技能。4．知道通过化学实验和某些物理方法可以确定有机物的组成和结构。图说考点基础知识[新知预习]一、研究有机化合物的基本步骤二、有机物的分离、提纯1．蒸馏(1)用途：常用于分离、提纯沸点不同的__________有机物。(2)适用条件。①有机物热稳定性________。②有机物与杂质的沸点相差______。2．萃取(1)萃取类型和原理①液—液萃取待分离组分在两种________的溶剂中的______不同，将其从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程。②固—液萃取用________从固体物质中溶解出待分离组分的过程。(2)萃取剂选择的条件①萃取剂与原溶剂________。②溶质在萃取剂中的溶解度____。③萃取剂与溶液中的成分________反应。(3)装置3．重结晶(1)用途：提纯____有机物。(2)溶剂的选择：①杂质在所选溶剂中溶解度__________，易于除去。②被提纯有机物在所选溶剂中的溶解度受____的影响较大；在热溶液中的溶解度____，冷溶液中的溶解度____，冷却后易于结晶析出。(3)装置与操作：三、确定实验式、确定分子式1．元素分析(1)定性分析：用化学方法测定有机物分子的元素组成。如燃烧后，C生成______、H生成______。(2)定量分析：将一定量的有机化合物燃烧转化为简单无机化合物，并定量测定各产物的质量，从而推算出各组成元素原子的________，然后计算出该有机物分子内各元素原子的__________，即确定其实验式。2．相对分子质量的测定——质谱法(1)原理：用高能电子流等轰击样品，使有机分子失去电子形成带正电荷的分子离子和碎片离子。分子离子、碎片离子各自具有不同的________，它们在磁场的作用下到达检测器的时间因质量不同而先后有别，其结果被记录为质谱图。(2)质荷比：指分子离子、碎片离子的________与其电荷的比值。由下图可知，质荷比最大的数据是CH3CH2OH(46)，这就表示样品分子的相对分子质量为46。四、确定分子结构1．红外光谱：(1)原理：不同的化学键或官能团的吸收频率不同，在红外光谱图中处于不同的位置。(2)作用：初步判断某有机物中含有何种________或________。如下图是一种分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱图，则该有机物的结构简式为________________。2．核磁共振氢谱：(1)作用：测定有机物分子中氢原子的__________。(2)原理：处在不同化学环境中的氢原子在谱图上出现的______不同，具有不同的化学位移，而且吸收峰的面积与________成正比。(3)分析：吸收峰数目＝__________，吸收峰面积比＝____________。3．X射线衍射(1)原理：X射线和晶体中的原子相互作用可以产生衍射图。经过计算可从中获得分子结构的有关数据，包括________、________等分子结构信息。(2)作用：X射线衍射技术用于有机化合物________结构的测定，可以获得直接而详尽的结构信息。[即时性自测]1．判断正误(对的在括号内打√，错的在括号内打×)(1)有机物分子中碳、氢原子个数比为1:4，则该有机物一定是CH4。()(2)蒸馏分离液态有机物时，在蒸馏烧瓶中应加少量碎瓷片。()(3)根据相似相溶原理用乙醇从水溶液中萃取有机物。()(4)根据物质的沸点利用蒸馏法提纯液态有机物时，沸点相差大于30℃为宜。()(5)常用的有机溶剂有乙醚、石油醚、二氯甲烷等。()(6)质谱法可确定有机物分子的结构。()(7)红外光谱可确定分子中所含官能团。()2．下图实验装置一般不能用于分离物质的是()3．分离下列混合物，应选用蒸馏操作的是()A．汽油和柴油B．溴水C．硝酸钾和氯化钠的混合物D．四氯化碳和水4．在有机物的研究过程中，能快速、精确测定有机物相对分子质量的仪器是()A．红外光谱仪B．元素分析仪C．质谱仪D．核磁共振仪5．某化合物6.4g在氧气中完全燃烧，生成8.8gCO2和7.2gH2O，下列说法中正确的是()A．该化合物含碳、氢两种元素B．该化合物中碳、氢原子个数比为1:4C．无法确定该化合物是否含有氧元素D．该化合物一定是C2H8O26．下列化合物分子，在核磁共振氢谱图中能给出三种信号峰的是()7．化合物A和B的分子式都是C2H4Br2，A的核磁共振氢谱如图所示，则A的结构简式为________，请预测B的核磁共振氢谱上有________个峰(信号)，B的结构简式为________。

技能素养提升点一有机物的分离与提纯[例1]实验室制备苯甲醇和苯甲酸的化学原理是：已知苯甲醛易被空气氧化；苯甲醇的沸点为205.3℃；苯甲酸的熔点为121.7℃，沸点为249℃，常温下在水中的溶解度为0.34g；乙醚的沸点为34.8℃，难溶于水。制备苯甲醇和苯甲酸的主要过程如下所示：苯甲醛eq\o(→,\s\up17(KOH、H2O),\s\do15(放置24h))白色糊状物eq\f(水、乙醚,操作Ⅰ)请根据上述信息回答下列问题：(1)操作Ⅰ的名称是________，乙醚溶液中所溶解的主要成分是________。(2)操作Ⅱ的名称是________，产品甲是________。(3)操作Ⅲ的名称是________，产品乙是________。(4)如图所示，操作Ⅱ中温度计水银球上沿放置的位置应是________(填“a”“b”“c”或“d”)，该操作中，除需蒸馏烧瓶、温度计外，还需要的玻璃仪器是________________，收集产品甲的适宜温度为________。eq\x(状元随笔)蒸馏的装置为[提升1]对于很多人来说，喝茶是人生的一大乐事，茶叶中含有少量的咖啡因。咖啡因具有扩张血管、刺激心脑等作用，在100℃时失去结晶水并开始升华，120℃时升华相当显著，178℃时升华很快。其结构简式如图所示。实验室可通过下列简单方法从茶叶中提取咖啡因：(1)咖啡因的分子式为________。(2)步骤1浸泡茶叶所用的溶剂最好为________(填序号)A．水B．乙醇C．石油醚(3)步骤1、步骤4所进行的操作或方法分别是____________、____________。eq\x(状元随笔)易升华的物质(如I2等)可用升华法进行分离提纯。[关键能力]有机物的分离与提纯1．分离与提纯的区别(1)分离指通过物理或化学方法将混合物各组分分开，其目的是得到混合物中的每一种纯净物质。(2)提纯将被提纯物质中的杂质除去，其目的是净化主体物质，不考虑提纯后杂质的化学成分和物理状态的改变。2．萃取与分液的区别与联系(1)分液和萃取是两个不同的概念，分液可以单独进行，但萃取之后一般要进行分液。(2)分液是将两种互不相溶的液体组成的混合物进行分离的操作。3．常见有机物的分离提纯方法(括号内为杂质)混合物试剂分离提纯的方法主要仪器乙酸乙酯(乙酸)饱和Na2CO3溶液分液分液漏斗、烧杯溴苯(溴)NaOH溶液苯(乙苯)酸性KMnO4、NaOH溶液乙醇(水)CaO蒸馏蒸馏烧瓶、冷凝管肥皂(甘油)NaCl盐析漏斗、烧杯淀粉(纯碱)H2O渗析半透膜、烧杯甲烷(乙烯)溴水洗气洗气瓶eq\x(状元随笔)分离、提纯的原则(1)不增：不增加新的杂质。(2)不减：不减少被提纯的物质。(3)易分离：被提纯物质与杂质易分离。(4)易复原：被提纯物质转变成其他物质后，易恢复到原来的状态。提升点二有机物分子式、结构式的确定方法[例2]有机物A可由葡萄糖发酵得到，也可从酸牛奶中提取。纯净的A为无色黏稠液体，易溶于水。为研究A的组成与结构，进行了如下实验：实验步骤解释或实验结论(1)称取A9.0g，升温使其汽化，测得其密度是相同条件下H2的45倍试通过计算填空：(1)A的相对分子质量为：________(2)将此9.0gA在足量纯O2中充分燃烧，并使其产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰，发现二者质量分别增加5.4g和13.2g(2)A的分子式为________(3)另取A9.0g，跟足量的NaHCO3粉末反应，生成2.24LCO2(标准状况)，若与足量金属钠反应则生成2.24LH2(标准状况)(3)用结构简式表示A中含有的官能团是________(4)A的核磁共振氢谱如下图：(4)A中含有________种氢原子(5)综上所述，A的结构简式为________[提升2]化合物A经李比希法测得其中含碳元素的质量分数为72.0%、氢元素的质量分数为6.67%。已知乙醇(CH3CH2OH)的核磁共振氢谱有三组峰，其面积之比为3:2:1，如图甲所示。现测得化合物A的核磁共振氢谱有五组峰，其面积之比为1:2:2:2:3，A的相对分子质量为150。又测得A分子的红外光谱如图乙所示。已知A分子中只含一个苯环，且苯环上只有一个取代基。回答下列问题。(1)A的分子式为___________________________________________________；(2)A的结构简式为_______________________________________________。eq\x(状元随笔)第1步，根据化合物A的碳、氢含量和相对分子质量确定其分子式。第2步，根据A的红外光谱中的各结构单元对A物质进行基本组合。第3步，根据核磁共振氢谱判断组合是否正确。第4步，调整各结构单元的组合使其结构与核磁共振氢谱相符，即确定其结构简式。[关键能力]有机物分子式、结构式的确定方法1．基本思路2．有机物实验式(最简式)的确定方法：(1)确定有机物中碳、氢元素的质量分数。(2)分析有机物中是否含有氧元素以及其他元素。(3)求出各元素原子的个数比，再测出有机物的相对分子质量，即达到确定其分子式的目的。(4)实验式(最简式)和分子式的区别：实验式是表示化合物分子所含元素的原子数目最简整数比的式子。分子式是表示化合物分子所含元素的原子种类及数目的式子。3．相对分子质量的测定质谱法是近代发展起来的快速、微量、精确测定相对分子质量的方法。乙醇的质谱图如下：(1)相对丰度：以图中最强的离子峰(基峰)高为100%，其他峰的峰高则用相对于基峰的百分数表示。(2)质荷比：分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值。(3)质谱图最右边的分子离子峰表示的就是乙醇的相对分子质量。4．确定分子式的方法：(1)直接法：有机物的密度(或相对密度)→摩尔质量→1mol有机物中各原子的物质的量→分子式。(2)最简式法：各元素的质量分数→最简式eq\o(→,\s\up15(摩尔质量))分子式。(3)余数法：用烃的相对分子质量除以14，看商数和余数。eq\a\vs4\al\co1(\f(MrCxHy,MrCH2)＝\f(M,14)＝A……)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(余2为烷烃,除尽为烯烃或环烷烃,差2为炔烃或二烯烃,差6为苯或苯的同系物))其中商数A为烃中的碳原子数，此法适用于具有特定通式的烃(如烷烃、烯烃、炔烃、苯和苯的同系物等)。(4)化学方程式法：利用有机反应中反应物、生成物之间“量”的关系求分子式的方法。在有机化学中，常利用有机物燃烧等方程式对分子式进行求解。常用的化学方程式有：CxHy＋x＋eq\f(y,4)O2eq\o(→,\s\up15(点燃))xCO2＋eq\f(y,2)H2OCxHyOz＋x＋eq\f(y,4)－eq\f(z,2)O2eq\o(→,\s\up15(点燃))xCO2＋eq\f(y,2)H2O5．有机物结构式的确定(1)根据价键规律确定有些有机物根据价键规律只存在一种结构，根据分子式直接确定其结构式。例如：分子式C2H6eq\o(→,\s\up15(H饱和))结构简式CH3—CH3。实验式：CH4Oeq\o(→,\s\up15(价键规律))分子式CH4Oeq\o(→,\s\up15(H饱和))结构简式CH3OH。(2)根据性质和定量实验确定特征反应→确定官能团eq\o(→,\s\up15(反应机理及实验数据),\s\do5(计算分析))官能团的数目和位置→确定结构简式。例如：测得1mol某醇与足量钠反应可得到1mol气体，则可说明该醇分子中含2个—OH。(3)根据物理实验方法确定①质谱图→确定相对分子质量。②红外光谱→确定有机物中的化学键和官能团信息。③核磁共振氢谱→确定有机物中氢原子的类型及数目。综合根据以上信息确定有机物的结构。eq\x(状元随笔)(1)气体摩尔体积法求相对分子质量标准状况下，已知气体密度，则气体摩尔质量为：Mr＝。(2)相对密度法求相对分子质量若已知A气体及未知气体B的相对密度(符号为D)，则有关系式：D＝eq\f(MA,MB)。如已知某气体对氢气的相对密度为16，则D＝eq\f(M,MH2)，M＝16×2g·mol－1＝32g·mol－1。形成性自评1．现有三组混合液：①乙酸乙酯和乙酸钠溶液；②乙醇和丁醇；③溴化钠和单质溴的水溶液。分离上述各混合液的正确方法依次是()A．分液、萃取、蒸馏B．萃取、蒸馏、分液C．分液、蒸馏、萃取D．蒸馏、萃取、分液2．按以下实验方案可从海洋动物柄海鞘中提取具有抗肿瘤活性的天然产物。下列说法错误的是()A．步骤(1)需要过滤装置B．步骤(2)需要用到分液漏斗C．步骤(3)需要用到坩埚D．步骤(4)需要蒸馏装置3．下列实验式中，不用相对分子质量就可以确定分子式的是()①CH3②CH③CH2④C2H5A．①②B．③④C．②③D．①④4．设H＋的质荷比为β，某有机物样品的质荷比如图所示(假设离子均带一个单位正电荷，信号强度与该离子的多少有关)，则该有机物可能是()A．甲醇(CH3OH)B．甲烷C．丙烷D．乙烯5．有机物A完全燃烧只生成CO2和H2O，将12g该有机物完全燃烧的产物通过足量浓硫酸，浓硫酸增重14.4g，再通过足量碱石灰，碱石灰增重26.4g，该有机物的分子式是()A．C4H10B．C2H6OC．C3H8OD．C2H4O26．为测定某化合物A的结构，进行如下实验。第一步，分子式的确定：(1)将有机物A置于氧气流中充分燃烧，实验测得：生成5.4gH2O和8.8gCO2，消耗氧气6.72L(标准状况下)，则该有机物中各元素的原子个数比是________。(2)用质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量为46，则该物质的分子式是________。(3)根据价键理论，预测A的可能结构并写出结构简式________________________________。第二步，结构式的确定：(4)经测定，有机物A的核磁共振氢谱图如下：则A的结构简式为________________。eq\x(温馨提示：请完成课时作业2)第二节研究有机化合物的一般方法基础知识新知预习一、实验式分子式结构式蒸馏核磁共振氢谱二、1．(1)液态(2)较高较大2．(1)互不相溶溶解性溶剂(2)互不相溶大不发生(3)分液漏斗烧杯3．(1)固体(2)很小或很大温度较大较小(3)溶解过滤结晶三、1．(1)CO2H2O(2)质量分数最简整数比2．(1)相对质量(2)相对质量四、1．(2)化学键官能团CH3COOCH2CH32．(1)种类和数目(2)位置氢原子数(3)氢原子种类氢原子数目比3．(1)键长键角(2)晶体即时性自测1．(1)×解析：C:H之比为1:4时可以为CH4O(CH3OH甲醇)。(2)√(3)×解析：乙醇与水互溶，不能萃取水中的物质。(4)√(5)√(6)×(7)√2．解析：A、B、C三项分别为蒸馏、分液、过滤装置，都用于物质的分离。D项为一定物质的量浓度溶液的配制，不属于物质的分离。答案：D3．解析：A项，汽油和柴油互溶，但二者沸点不同，故用蒸馏操作分离；B项，用萃取、分液、蒸馏操作分离；C项，用结晶操作分离；D项，四氯化碳与水互不相溶，用分液操作分离。答案：A4．答案：C5．解析：n(CO2)＝eq\f(8.8g,44g·mol－1)＝0.2mol，知m(C)＝0.2mol×12g·mol－1＝2.4g，n(H2O)＝eq\f(7.2g,18g·mol－1)＝0.4mol，知m(H)＝1g·mol－1×0.8mol＝0.8g；则m(C)＋m(H)＝2.4g＋0.8g＝3.2g,3.2g<6.4g，故该化合物中含氧元素，其质量为6.4g－3.2g＝3.2g，其物质的量n(O)＝eq\f(3.2g,16g·mol－1)＝0.2mol。n(C):n(H):n(O)＝1:4:1，实验式为CH4O，分子式一定不是C2H8O2，因为实验式中H原子已饱和。答案：B6．解析：有机物中含有几种不同类型的氢原子，在核磁共振氢谱上就能出现几种信号峰，现题给有机物在核磁共振氢谱图中有三种信号峰，这表明有机物分子中含有三种不同类型的氢原子。答案：C7．解析：由A的核磁共振氢谱图中只有一个峰，所以可得A的结构简式为，则B的结构只能是，因共有两种化学环境的氢原子，故有两个峰。答案：CH2BrCH2Br2CH3CHBr2技能素养例1解析：(1)由题意可知，白色糊状物为苯甲醇和苯甲酸钾，加入水和乙醚后，依相似相溶原理，乙醚中溶有苯甲醇，水中溶有苯甲酸钾，两种液体可用分液法分离；(2)溶解在乙醚中的苯甲醇沸点远高于乙醚，可用蒸馏法分离；(3)加入盐酸后生成的苯甲酸为微溶于水的晶体，可过滤分离；(4)蒸馏时温度计水银球上沿应位于蒸馏烧瓶支管口(b)处；蒸馏时，除温度计外、蒸馏烧瓶外，还需冷凝管、酒精灯、尾接管、锥形瓶等玻璃仪器；因蒸出的是沸点较低的乙醚，故收集产品甲(苯甲醇)的适宜温度应是34.8℃。答案：(1)分液苯甲醇(2)蒸馏苯甲醇(3)过滤苯甲酸(4)b冷凝管、酒精灯、尾接管、锥形瓶34.8℃提升1解析：(2)乙醇能溶解咖啡因，且在后面的分离操作中容易分离得到产品，故选B。(3)由题给信息可知，步骤1为萃取操作；利用咖啡因易升华的特点，步骤4选择升华的分离方法得到精产品。答案：(1)C8H10N4O2(2)B(3)萃取升华例2解析：(1)Mr(A)＝D(H2)·Mr(H2)＝45×2＝90。(2)由m(H2O)＝5.4g，m(CO2)＝13.2g，知A中m(H)＝0.6g，m(C)＝3.6g，故A中还应有O，m(O)＝9.0g－0.6g－3.6g＝4.8g。则A中n(C):n(H):n(O)＝eq\f(3.6g,12g/mol):eq\f(0.6g,1g/mol):eq\f(4.8g,16g/mol)＝0.3mol:0.6mol:0.3mol＝1:2:1，故A的实验式应为CH2O。又因A的相对分子质量为90，将A的分子式为C3H6O3。(3)A能与NaHCO3反应放出0.1molCO2，与Na反应放出0.1molH2，故0.1molA中有0.1mol—COOH和0.1mol—OH。(4)由核磁共振氢谱可知，A有4种氢原子。(5)A的结构简式应为。答案：(1)90(2)C3H6O3(3)—COOH、—OH(4)4(5)提升2解析：(1)根据C、H、O的质量分数及有机物的相对分子质量，可求出其分子式为C9H10O2。(2)有机物A的核磁共振氢谱中含有五组峰，且峰面积之比为1:2:2:2:3，对比乙醇的核磁共振氢谱，可推知有机物A中含有五种不同类型的氢原子，且氢原子数之比为1:2:2:2:3；因A分子中含有一个苯环，且苯环上只有一个取代基，即A中含有，苯环上有三种类型的氢原子，其个数比为1:2:2，则A分子中还应含有一个“CH2”基团和一个“CH3”基团；而由A分子的红外光谱图可知，A分子中含有C=O键和C—O—C键，由此可得出A可能的结构简式为、。答案：(1)C9H10O2(2)、、、形成性自评1．解析：液体混合物根据相互溶解性，在不同溶剂中溶解度大小和各成分沸点差别只要求掌握三种分离方法。乙酸乙酯难溶于水，乙酸钠易溶于水，可采取分液的方法将两者分开。乙醇和丁醇互溶，可用蒸馏法分离。NaBr和单质溴，可利用有机溶剂萃取其中的Br2，与NaBr分离。故正确答案为C。答案：C2．解析：本题可根据图示的操作流程和物质的性质，分析所用的分离提纯方法，从而确定需要的仪器。A项，样品粉末经步骤(1